|
"Миллиметрон". Материалы для изготовления КТ.
|
|
Одной из важнейших проблем создания зеркал космического телескопа (КТ) «Миллиметрон» является сохранение заданной точности их отражающей поверхности при криогенных температурах в период эксплуатации телескопа. Решение этой проблемы зависит от возможности создания формостабильной конструкции. Одним из ответственных этапов решения этой задачи является выбор материала элементов КТ, поскольку он влияет на технологию изготовления и результирующие оптические характеристики.
Материалы, используемые в конструкции КТ должны обладать: высокими физико-механическими характеристиками, сохраняющими свои значения при криогенных температурах; малой плотностью и хорошими технологическими свойствами.
На рисунке 1 представлена схема требований к основным параметрам, определяющим выбор материалов для изготовления элементов КТ, который осуществляется исходя из условий обеспечения требований ТЗ к конструкции на различных этапах: при изготовлении, наземной отработке, выводе на орбиту и работе на орбите.
|
Рисунок 1
|
Материал для изготовления главного зеркала. |
В ходе работ по выбору материала для изготовления главного зеркала телескопа обсерватории «Миллиметрон» был проведен анализ материалов, использованных при создании цельных и трансформирующихся (раскрывающихся) зеркал реализованных и разрабатываемых космических телескопов начиная с 1990 г. (таблица 1).
|
таблица 1
|
|
В таблице 2 приведены основные характеристики материалов, использованных в космических телескопах (таблица 1), опубликованные в открытой печати. Все величины получены при температуре 20?С, за исключением коэффициента температурного расширения при криогенной температуре (αк,).
|
таблица 2
|
где:
ρ - плотность;
α - коэф. линейного температурного расширения при температуре 20?С;
αкрио – коэф. линейного температурного расширения при криогенной температуре;
λ- коэффициент теплопроводности;
ср- удельная теплоемкость;
Е - модуль упругости.
ULE- ультралегкое стекло;
Астроситалл СО-115М -отечественный стеклокристаллический материал, полученный путем частично направленной кристаллизации стекол;
Углепластик КМУ-4Л- отечественный углепластик на основе среднемодульных углеродных волокон и эпоксидной смолы;
Высокомодульный углепластик- углепластик на основе высокомодульных углеродных волокон и эпоксидной смолы;
Анализ характеристик, приведенных в таблице 2, показывает, что из приведенных материалов по совокупности требованиий к основным параметрам (плотность и коэффициент линейного температурного расширения) для создания КТ «Миллиметрон» проходит только высокомодульный углепластик.
Зарубежные разработчики продемонстрировали возможность применения высокомодульного углепластика в космическом телескопе с микронной точностью отражающей поверхности, запущенном в 2009 г. (обсерватория PLANK) и имеющее зеркало телескопа, выполненное из высокомодульного углепластика.
Поэтому в качестве материала для изготовления главного зеркала КТ обсерватории «Миллиметрон» был принят разрабатываемый в настоящее время отечественный аналог зарубежного квазиизотропного высокомодульного углепластика на основе волокна М55j и цианэфирного связующего. Основные характеристики материала типа LTM 123/M55j для изготовления главного зеркала, полученные в ходе испытаний образцов приведены в таблице 3.
|
таблица 3
|
Кроме низких коэффициента температурного расширения и плотности, преимущество этого углепластика заключается в высокой производительности получения прецизионных поверхностей методом репликации. Например, прецизионная механообработка 1 м2 керамики или бериллия занимает примерно 7-8 месяцев, а длительность метода репликации составляет всего 2-5 дней.
|
|
Материал для изготовления вторичного зеркала . |
Вторичное зеркало (ВЗ) зеркальной систелы телескопа обсерватории «Миллиметрон» диаметром 0.53 м, имеет гиперболическую форму поверхности с максимальной асферичностью 11.37 мм и точность отражающей поверхности 3 мкм (СКО).
Изготовление ВЗ из высокомодульного углепластика, применяемого при производстве ГЗ, является экономически нецелесообразным в связи с тем, что стоимость только оправки для его формирования (без учета стоимости изготовления самого зеркала) будет выше стоимости изготовления ВЗ из карбида кремния. Технология изготовления зеркал телескопов такого диаметра из карбида кремния в России существует. Принято решение ВЗ изготавливать из карбида кремния.
|
Материал для отражающей поверхности ГЗ и ВЗ
|
|
При выборе материала покрытия отражающей поверхности зеркал КТ учитывается множество требований, основными из которых являются:
сохранение характеристик материала покрытия во всем диапазоне рабочих температур;
обеспечение максимальной адгезии покрытия к материалу основы зеркала;
согласование КЛТР покрытия с КЛТР основы зеркала;
обеспечение на необходимом уровне твердости и химической инертности покрытия.
Для создания отражающего слоя зеркал с полным отражением в настоящее время применяются металлические однослойные и многослойные покрытия. Наиболее распространенными из них являются алюминирование, серебрение и золочение.
В настоящее время ведутся работы по созданию сверхпроводящих тонких пленок для применения в качестве покрытия зеркал КТ, которые можно рассматривать как альтернативу золочению. Однако при повышении температуры от 4.5К до 8-15К, пленки теряют свойство сверхпроводимости и их коэффициент отражения становится ниже чем у алюминия, серебра и золота.
По совокупности свойств на данном этапе разработки в качестве отражающего покрытия для зеркал КТ целесообразно применить золото.
Оно обладает наибольшей химической инертностью и пластичностью (среди металлов), что особенно важно при низких температурах от 300К до 4.5К, т.к. разница его КЛТР и материала подложки зеркала не приведет к растрескиванию первого. Золото имеет самый высокий из рассмотренных материалов коэффициент отражения.
В дальнейшей работе предусматривается проведения серии испытаний образцов размеростабильного высокомодульного углепластика с выбранным покрытием отражающей поверхности зеркала при температуре 4.5 К с учетом толщины отражающего слоя и рабочих длин волн.
|
Материалы для изготовления силовых элементов
|
|
В процессе работы над проектом были рассмотрены различные материалы для изготовления силовых элементов конструкции рефлектора КТ, включающих: каркасы лепестков, опорную конструкцию контррефлектора, опорную ферму рефлектора, опору систем охлаждения, каркасы теплозащитных экранов, переходную ферму, каркасы радиаторов, подкрепляющие и соединительные элементы.
Основным требованием, предъявляемым к материалам этих элементов, является сохранение работоспособности в условиях криогенных температур.
Для изготовления силовых элементов рефлектора, кроме металлических сплавов, применяемых в изделиях, работающих при низких температурах, рассматривалось применение композиционных материалов.
Характеристики рассмотренных материалов для изготовления силовых элементов рефлектора приведены в таблице 4.
|
таблица 4
|
С учетом численных показателей приоритетных параметров материалов (в нашем случае плотности и коэффициента линейного температурного расширения) для использования при изготовлении стержневых силовых элементов принят разрабатываемый отечественный аналог (*) однонаправленного высокомодульного углепластика на основе волокна М55j и цианэфирного связующего типа LTM123, для узловых элементов - титан.
|
Материалы для изготовления теплозащитных экранов
|
|
В обсерватории «Миллиметрон» для достижения криогенных температур на криоэкране рефлектора порядка 20К используются пассивная система охлаждения, состоящая из 4-х двухслойных теплозащитных экранов (ТЭ), состоящих из каркасов и пленочного материала.
Каркас теплозащитных экранов предполагается из высокомодульного углепластика.
После анализа существующих пленочных материалов для ТЭ была выбрана металлизированная полиимидная пленка, характеристики которой приведены в таблице 5.
|
таблица 5
|
|
На стадии окончания этапа технического проекта обсерватории «Миллиметрон» принята комбинация материалов для изготовления основных конструктивных элементов КТ, приведенная в таблице 6.
|
таблица 6
|
Высокомодульный углепластик
|
|
Опыт отработки главного зеркала телескопа PLANCK показал, что недостатки углепластиков могут быть успешно преодолены за счет соответствующих режимов термообработки, использования радиоотражающих покрытий, применения циановых связующих и высокомодульных углеродных волокон.
Свойства углепластиков определяются свойствами углеродных волокон и полимерной матрицы.
При выборе связующего для высокомодульных углепластиков решающими факторами являются:
минимальное количество равновесной влаги в материале;
минимальный уровень внутренних напряжений и стойкость к
микрорастрескиванию при захолаживании;
минимальная величина газовыделения при воздействии вакуума;
минимальная температура отверждения.
В наилучшей степени этим условиям удовлетворяют цианэфирные и циансилоксановые связующие:
Некоторые преимущества и недостатки углепластиков, а также пути минимизации недостатков приведены в таблице 7.
таблица 7
|
|
Для отработки технологического процесса изготовления центрального зеркала в АКЦ ФИАН был изготовлен из высокомодульного углепластика полномасштабный параболический макет, пригодный для реализации метода сборного изготовления ЦЗ из отдельных секторов с их последующим соединением в единую конструкцию. Результаты технологического макетирования будут использованы при проектировании штатного сектора ЦЗ и технологической оснастки. На рисунках 2 и 3 приведены фотографии макета сектора ЦЗ с лицевой и тыльной сторон.
| 
|
|
|
